某辦公樓空調冷熱源系統節能改造技術研究

胡芳芳

上海浦公節能環保科技有限公司

0 引言

隨著社會經濟的發展和人們對室內環境舒適度要求的提高，公共建筑能耗逐年提高，其中空調系統能耗可達40%～50%［1］。此外，近10 年隨著空調系統設備、控制系統的優化升級，新一代產品性能和節能指標明顯提高。基于上述情況，對中央空調系統冷熱源的節能改造尤為重要，直接影響空調系統運行效果和經濟效益［2］。該項目對空調冷熱源系統進行技術改造，采用節能高效改造方案，并進行了可行性論證和改造價值與成果分析，為同類機關建筑的節能改造提供經驗及參考。

1 項目概況

1.1 項目概況

該項目為一棟機關辦公樓，已投運超過20 年，地上7層，建筑高度30 m。建筑面積為15 768.59 m2，空調面積為13 403.31 m2。運營時間為周一至周五，8:30-17:00。大樓空調系統分為：1）1F～5F 為職工辦公室，采用風冷熱泵空調系統；2）6F、7F為領導辦公室，采用VRV 空調和分體空調，近兩年已整體更新，運行良好。1F～5F的空調機組接近壽命年限，老化嚴重，安全隱患高，空調內機保養尚好，項目針對1F～5F 的冷熱源系統（機組、水泵及管道附件）進行節能改造，原空調末端系統保持不變。設備技術參數見表1。

表1 空調冷熱源設備技術參數表

1.2 運行狀況

查閱近三年空調運行記錄可知，每年5 月-10月為制冷運行季，11 月-次年3 月為供暖運行季。運行策略為7 F 平臺冷熱源系統的典型工況開啟2臺空調機組和3 臺循環泵，極端天氣開啟3 臺空調機組和4臺循環泵；8 F平臺冷熱源系統的典型工況開啟1臺空調機組和1臺循環泵，極端天氣開啟2臺空調機組和2臺循環泵。經節能診斷可知：

1）空調機組：根據第三方檢測機構報告，機組運行COP為1.3，能效衰減較大。外立面銹蝕嚴重，故障率高，原負荷配置冗余較大。

2）循環水泵：無防雨裝置，露天放置，銹蝕嚴重。安裝于8樓平臺的水泵未根據單臺空調機組額定流量進行選型，而是根據系統總水量確定，選型偏大。

3）管道：室外管道銹蝕嚴重，保溫層及管道附件（如溫度計、壓力表等）部分損壞。

1.3 能耗分析

根據2017-2019年能耗賬單和用能面積分析，大樓三年內年均消耗總標煤為476.2 tce，單位建筑面積能耗為30.1 kgce/ (m2·a)，該數值高于指南先進值24 kgce/(m2·a)［3］，說明該大樓仍有一定節能潛力。結合三年逐月電力能耗賬單對大樓進行能耗分析，見圖1。

圖1 大樓逐月能耗分析柱狀圖

大樓已安裝能耗監測系統，系統詳細記錄了主要用能支路的能耗數據，通過調取平臺能耗數據拆分用能占比見圖2所示。

圖2 大樓主要用電占比

由圖1 和圖2 可知，每年12 月-次年3 月、6 月-10 月為用電高峰月，經分析是冬季采暖和夏季空調使用能耗大所致；根據已有能耗監測系統，空調系統用電占比最大，為37%。綜上分析，空調系統用電主要為耗能項，為有效遏制能耗攀升，須重點關注空調系統，進行節能技改。

2 改造方案

針對空調系統存在的諸多問題，分析論證后確定對冷熱源系統進行更新改造和智能控制，實現系統節能減排。改造方案采用高效風冷熱泵空調機組和水泵對原設備進行替換，安裝一套冷熱源群控系統，對空調機組及水泵進行智能管控和優化運行，以提高系統運行效率。

2.1 空調負荷計算

根據踏勘現狀及運行策略，對空調系統實際負荷進行解析，可知7 F 平臺空調系統在極端工況下所需制冷量為1 005 kW；8 F 平臺空調系統在極端工況下所需制冷量為527 kW。空調已運行20 年，極端工況下多開啟機組的原因與機組本身老化、制冷能力衰減、管道保溫破損等因素有關［4］，并參考機組歷史電耗數據，得出大樓的實際用冷（熱）需求不大于1 600 kW。

根據最新規范規定的室內外氣象條件和最小新風量要求，參考《公共建筑節能設計標準》（DGJ 08107-2015）圍護結構性能參數，并依據前述供能面積數據，進行負荷計算，得出冷負荷為1 670 kW，熱負荷為1 610 kW，單位面積冷負荷指標為125 W/m2，單位面積熱負荷指標為120 W/m2。

由此可見，冷熱負荷設計值與現場解析結果基本吻合，滿足大樓當前冷熱負荷的用能需求，即空調系統的制冷量和制熱量分別為1 670 kW 和1 610 kW。

2.2 冷熱源系統改造

基于大樓空調冷熱源現狀，參考負荷計算結果，選擇采用13 臺（制冷量130 kW/臺）模塊式風冷熱泵空調機組替換原有機組，可滿足全年制冷制熱負荷需求，新機組完全符合《公共建筑節能設計標準》（DGJ 08107-2015）的標準要求（COP 3.0）。13 臺空調機組分兩組配置，8 臺安裝于7 F平臺，5 臺安裝于8 F 平臺。改造后空調機組參數見表2。

表2 風冷模塊機組參數表

2.3 輸配系統優化及改造

由踏勘現狀及運行策略可知，對原有水泵進行整體更新替換，替換方案兼顧夏季制冷和冬季供暖輸配循環需要，以滿足空調機組循環流量要求。水泵選型根據空調機組布置、水系統流量及原設計空調系統的水泵參數進行確定，新更換的循環水泵技術參數見表3。

表3 循環水泵參數表

另對室外管道、儀器儀表等部件及保溫層進行更新修復，并新增電子除垢儀，以全面保證系統的安全可靠及節能運行。根據空調實際負荷、水泵選型等合理優化設計供回水管徑，其中7 F（冷負荷1 040 kW）供回水干管管徑為DN200；8 F（冷負荷650 kW）供回水干管管徑為DN200；機組（冷負荷130 kW）進出水支管管徑為DN80；水泵進出水支管管徑為DN150，集水器總管管徑為DN300；以上管道設計流速均在合理流速范圍之內。改造后的系統流程圖見圖3。

圖3 7 F平臺（左）和8F平臺（右）冷熱源系統流程圖

2.4 新增冷熱源群控系統

為保障系統運行的安全可靠、能效提升及節能降耗，新增一套冷熱源群控系統，對空調機組和水泵遠程實時監視與控制（自動啟/停控制、手自動控制、故障報警等監控）、自動調節（根據室內外溫度和負荷變化，智能調節設備運行臺數及控制策略）；空調機組回水管路安裝電動閥門，遵循一機對一泵，實現機組與電動閥互鎖及優化控制；機組與水泵連鎖控制，提升系統效率和延長設備壽命；對機組和水泵用電量實時監測，實時掌握冷熱源能耗情況，便于用戶對系統優化運行及精細化管理。

3 節能效果

據已有資料，改造前冷熱源系統年用電量539 510 kWh。根據能耗監測系統數據，改造后冷熱源系統2022年用電量354 815 kWh，每月用電量數據見表4。經計算，冷熱源系統改造后實現年節能量184 695 kWh，年節省標煤52 tce，電費單價1 元/kWh，年節約能源費用184 695 元。項目投資額150萬元，靜態回收期約8年。

表4 改造后空調冷熱源系統2022年用電量報表

4 結論

該項目深入貫徹落實“雙碳”戰略，積極推進綠色低碳工作。首先通過節能診斷，找出耗能及潛力所在，其次在充分考慮技術可行性、施工便捷性、智慧運營及高效節能的基礎上，提出針對性的改造方案，并最大程度利用原設備，實現了新舊系統高效融合。實施改造后實現年節省標煤52 tce，年節約能源費用184 695 元，年CO2減排量77.6 t，同時大幅降低了設備維護成本和物業人員管理成本，節能、經濟及社會效益顯著。項目成果為同類既有建筑改造項目提供了參考和借鑒，為新建筑節能設計提供了新思路［5］。